不同宿根年限甘蔗品种内源激素及酶活性分析

2022-07-06谭秦亮李佳慧朱鹏锦周全光欧克纬卢业飞庞新华

作物杂志 2022年3期

程琴谭秦亮李佳慧朱鹏锦周全光欧克纬卢业飞吕平庞新华

（广西壮族自治区亚热带作物研究所，530001，广西南宁）

科学种蔗主要是选育生产量和含糖量高的品种进行栽培应用，新植是生产过程中成本投入最高的环节，制糖成本降低的关键是降低原料蔗的生产成本[1]。而宿根性的好坏直接影响到生产成本和收益[2]，宿根性强的品种可有效延长宿根年限，不仅节省种茎和翻种劳动力等生产成本，增加收入[3]，还促进甘蔗早生快发，且生长周期长有利于提前熟期、增产增糖[4-5]。

甘蔗宿根性是维持甘蔗品种常年稳定高产的关键，目前对甘蔗宿根性的分析主要依赖于田间性状表现[6]，而田间观察及数据收集所需时间长，使用土地面积和工作量大[7]。因此，通过生理指标找到影响品种宿根性的关键性状来作为早期宿根品种筛选的评价指标，对遗传育种具有较大的指导作用。

甘蔗宿根性影响因子可分为内因和外因，内因主要包括蔗芽的质量、萌发速度及成茎率等，由甘蔗的遗传因素决定；外因包括温度、湿度、营养和病虫害等[4]。因此，在提供有利外因的情况下，品种种性是决定甘蔗宿根性的关键[8]。宿根蔗季的有效茎数、发芽株率、分蘖率、有效茎数、活性根构成和高生物量等是常用于评价甘蔗品种宿根性强弱的指标[9]，覃伟等[10]从生理特性探究发现宿根蔗蔸形态特征与宿根性存在密切关系；强宿根蔗较弱宿根蔗新植蔗芽萌发快，萌发数多，分蘖率高，有效茎数多；强宿根蔗宿根发株数多，且有效株数多于新植蔗，产量较新植蔗高[11]；在宿根萌发期，宿根性越强，脱落酸（ABA）含量越高，生长素/脱落酸（IAA/ABA）和赤霉素/脱落酸（GA3/ABA）比值越小，进行甘蔗宿根性评价应着重参考ABA含量[7]。

在前人研究基础上，对宿根萌发期可溶性糖、可溶性蛋白、内源激素含量及相关酶活性进行了深入研究，结合产量和糖分对影响宿根性的因素进行综合性评价，探究与甘蔗宿根性强弱有关的生理特性及其规律，为强宿根甘蔗品种的培育和早期筛选评价提供依据，对今后强宿根甘蔗新品种的选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以广西壮族自治区亚热带作物研究所自主选育的强宿根甘蔗品种桂热2号（GR2）为试验材料，以新台糖22号（ROC22）为对照，种植在广西上思县国有农垦昌菱农场甘蔗基地（107°50′E，22°07′N），分别命名为 GT（GR2，2 年宿根蔗）、RT（ROC22，2年宿根蔗）、GF（GR2，5年宿根蔗）和RF（ROC22，5年宿根蔗）。

1.2 试验设计

采用随机区组田间设计，5行区，行长7m，行距1.2m，每个品种种植3个小区。新植蔗采用双芽种茎以双行品字形排列种植，下种密度为12.8芽/m2。于2013年3月种植，成熟后于2014年2月底收获新植蔗并保留宿根，宿根蔗次年1月收获，田间管理与当地甘蔗高产栽培管理相同。

1.3 测定项目与方法

在宿根蔗萌发初期2片叶子时取样，挖取蔗蔸，摘取嫩根、基部蔗茎和叶进行内源激素、酶活性、可溶性糖和可溶性蛋白的测定，每个样品取2g，重复3次，取样时先用清水洗干净根部，再用锡箔纸包好，写上标签，装在预先打孔的试管里，迅速放入液氮冷却备用。

样品采集后分别对ABA、IAA和GA3含量进行测定，同时测定过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、蛋白酶（Protease）、植物苯丙氨酸解氨酶（PAL）和植物蔗糖合成酶（SS）活性。采用酶联免疫吸附分析法用ELISA试剂盒测定激素含量和酶活性，采用双抗体夹心法测定标本中植物激素和酶活性的水平，用酶标仪在450nm波长下测定吸光度（OD值），通过标准曲线计算样品中植物激素含量和酶活性。采用蒽酮法测定可溶性糖含量，采用考马斯亮蓝比色法测定可溶性蛋白含量，每个样品重复3次。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013和Origin 8.0软件进行数据处理和作图，采用IBM SPSS 22.0软件进行方差分析，并采用改进的极点排序法[12-15]进行宿根性强弱的评价。

将参与评价的指标相对数据划分为5级。对每个品种所测指标相对值进行分级，使每个指标都得到相应级别值。公式为D=(Hmax-Hmin)/5，E=[(HHmin)/D]+1。式中，Hmax为各指标相对数据最大值，Hmin为各指标相对数据最小值，H为各指标相对数据任意值，D为得分级差（每得1分之差），E为各材料每个指标的级别值。通过计算可以得到鉴评矩阵。

权重系数为每个指标在综合评价中的权重，计算公式：任意指标权重系数（B）=任意指标变异系数/各指标变异系数之和；综合评价值计算公式：Vi=ΣEij×Bj（i=1，2，3，4，5，6，7，8；j=1，2，3，4），式中，Vi为每份材料综合评价值，Eij为各相对数据的级别值，Bj为对应指标权重系数。

2 结果与分析

2.1 不同宿根年限甘蔗的农艺和产量性状分析

从表1可知，GT、RT和GF、RF的株高、茎径、单茎重、田间锤度和蔗糖分指标没有差异，小区有效茎数中GF比CK具有明显优势，有效茎数中GT比CK高16.1%，GF高出31.1%。而在产量方面，GT和GF产量分别达到121 020和122 325kg/hm2，与对照存在极显著差异，分别比RT和RF增产45.3%和38.4%。GR2宿根产量没因种植年限久而减产，说明此品种宿根性强。GR2蔗糖分含量略低于CK，但含糖量比ROC22高出36%左右，说明GR2的整体优势明显，增产增糖效果好。

表1 2年和5年宿根蔗的农艺和产量性状Table 1 Agronomic and yield traits of sugarcane ratoon for two and five years

2.2 不同宿根年限甘蔗的可溶性糖和可溶性蛋白含量分析

从图1可知，可溶性糖含量主要集中部位是茎和叶，其中GF茎的可溶性糖含量最高，达到21.85mg/g，比RF高42.8%，GT也比RT高，可溶性糖在根部和叶片的积累水平均衡。可溶性蛋白主要集中在叶片，茎中含量也高，GT、RT和GF、RF叶片中可溶性蛋白含量相当，2年宿根蔗茎部可溶性蛋白含量多于5年宿根蔗。随着宿根年限增加，可溶性糖含量呈增长趋势，可溶性蛋白在茎中的积累呈下降趋势。

图1 可溶性糖和可溶性蛋白含量Fig.1 Soluble sugar and protein contents

2.3 不同宿根年限甘蔗内源激素含量分析

图2表明，GT根、茎、叶中的ABA和IAA含量最高，其中GT根中ABA含量为352.86μg/L，IAA含量为430.54ng/L（表2），与RT呈极显著性差异。GF根中ABA含量比GT根中降低了67.91%，IAA含量降低了25.72%；而RF根中ABA含量比RT增加35.31%，IAA含量增加15.31%。GR2中ABA和IAA含量都随着种植年限的增加而减少，而ROC22中ABA和IAA含量都随着种植年限的增加而增加，其中变化最明显的是GR2中ABA含量，说明它与宿根性强弱关系最紧密。

表2 根部内源激素方差分析Table 2 Variance analysis of endogenous hormones for roots

图2 萌发期根、茎和叶内源激素含量的比较Fig.2 Endogenous hormone contents of root,stem and leaf at sprouting stage

GA3的峰值出现在RT根中，达到448.01pg/mL，比RF根中高出25.71%，说明GA3与宿根性的强弱成负相关，与ABA和IAA的变化趋势相反；而GF和GT根中GA3含量差异不大，推测与GR2宿根性强有密切关系。2年宿根和5年宿根的ABA、IAA和GA3，GR2和ROC22差异水平达到显著或极显著水平。说明宿根性的强弱不是单纯与某种激素相关，而是几种激素共同作用的结果。

2.4 不同宿根年限甘蔗酶活性的比较

图3表明，CAT在GF的根和茎中活性最高，根中为9.31U/mL，GF与其他品种间存在显著或极显著性差异，CAT活性与宿根性强弱成正相关；在GR2和ROC22 2年宿根蔗的PAL活性大小差异不明显，但在5年宿根蔗中，ROC22中PAL活性明显低于GR2，比ROC22高出43.2%，二者间存在显著或极显著差异，PAL活性与宿根性成正相关；Protease活性在GF中最高，ROC22随着种植年限的增加，Protease活性下降，GR2随着种植年限的增加，Protease活性反而增加，这也是GR2宿根5年不减产的原因之一；SOD活性在各年限品种中差异不明显，5年宿根蔗中稍微有所增加，四者间没有极显著差异；SS在GT中最高，达到18.17U/mL（表3），在5年宿根蔗中略有降低，ROC22中SS活性在2年和5年宿根蔗差异不大，SS与宿根性成负相关。

图3 萌发期根、茎、叶的酶活性Fig.3 The enzyme activities of root,stem and leaf at sprouting stage

表3 根部酶活性的方差分析Table 3 The variance analysis of enzyme activity for roots

2.5 甘蔗宿根性强弱的综合评价

甘蔗宿根性是一种复杂的遗传特性，受多种环境因素的影响，为更全面评估各品系的宿根性，采用改进的极点排序法进行评分，结果如表4和表5所示，ABA、IAA、GA3、CAT、PAL、Protease、SOD和SS的权重系数分别为0.186、0.136、0.107、0.074、0.115、0.165、0.056和0.159。各品种各指标的对应得分如表4所示，该得分与各指标权重系数的乘积见表5。综合得分越高，说明该品种的宿根性越好。由表5综合评价值排名可知，宿根萌发期各品系宿根性强弱排序为GF＞GT＞RT＞RF，说明GR2的宿根性强于ROC22，这与前期大田试验数据相吻合，进一步验证了GR2是强宿根性品种。

表4 宿根萌发期2个品种在不同测定指标中根的得分（鉴评矩阵）Table 4 Scores of root of two varieties in different measurement indexes during perennial root germination stage(evaluation matrix)

表5 宿根萌发期宿根性综合评价结果Table 5 Comprehensive evaluation of perennial roots at germination stage

3 讨论

强宿根甘蔗品种的选育在生产中有重要意义，为蔗糖生产国所重视[16-18]。甘蔗宿根性是指新植或上年甘蔗收获后，宿根发株的快慢强弱、数量、最终成茎率、有效茎数和产蔗量高低[19]。甘蔗宿根性的强弱与宿根蔗的产量有直接联系，一般宿根多年甘蔗产量不衰的种质表明其宿根性强，反之则弱[20]。韦开军等[3]通过一新两宿品比试验，综合分析各参试品种相关农艺及产量性状，评价各品种宿根性的优劣。马丽等[6]对5年宿根蔗64份种质材料的产量、糖分进行评价，从而筛选出宿根性强、高产、高糖种质11个，宿根性强、高产种质11个。苏俊波等[21]探讨机械化收获后甘蔗的宿根性能，从农艺性状（株高、茎径、单茎重）和产量性状（有效茎数、产量、产糖量）筛选适宜机械化收获的品种。本研究中GF的可溶性糖含量最高，这是GR2品种强宿根的指标之一，可溶性蛋白含量随着宿根年限的增加而减少。

甘蔗宿根性与宿根蔗芽的萌发密切相关，这一过程受甘蔗体内多种激素的共同作用与调节[7]。宋奇琦等[22]发现，甘蔗与黑穗病菌长期互作过程中几丁质酶、β-1，3-葡聚糖酶活性及IAA和CTK含量总体上呈下降趋势，而CAT活性呈上升趋势；王川等[23]研究小麦可溶性糖含量、SOD和POD活性与抗旱性的关系，表明可溶性糖含量和保护性酶活性与抗旱指数存在极显著正相关。杨贵先[24]研究了南瓜花发育过程的内源激素和酶活性的变化，表明IAA、GA3和ABA的升降规律，在雌雄花中，高SOD、POD和CAT活性有助于雄花发育。周慧文等[25]研究了不同施氮水平下甘蔗内源激素、产量和糖分的变化特征，表明不同施肥水平下GA、CTK、BR和ABA的含量变化。何静丹[26]研究了低温胁迫及温度回升对甘蔗生理生化指标的影响，测定了苗期、宿根苗期、伸长期和工艺成熟期甘蔗叶片的丙二醛含量、POD活性、脯氨酸和可溶性蛋白含量等生理指标。而本研究GR2中ABA和IAA含量均随着宿根年限的增加而减少，GA3与宿根性的强弱成负相关；CAT和PAL活性与宿根性强弱成正相关，SS活性与宿根性强弱成负相关。Protease在GF中活性最高。

目前报道的文献中，一般是根据田间测产数据来判断宿根性的强弱，从生理生化角度进行评价和判定的较少，本研究利用改进的极点排序法，对宿根性相关的多个生理指标进行权重分配，通过矩阵复合运算，获得不同宿根年限品种间宿根性综合评价结果，此法已在甘蔗的抗寒性[12]和抗旱性[27]评价上应用。本研究在甘蔗的宿根性鉴定中，采用极点排序法得出各品种宿根性强弱的综合鉴定结果，得出ABA与宿根性强弱相关性最大，此结论与覃伟等[7]的研究结果一致，另外SS活性与宿根性强弱成负相关。Protease在GF中活性最高，说明植物蛋白酶在宿根性评价中是一个非常关键的因子。此方法可为甘蔗的宿根性提供客观、可靠的评价。另外，本研究结合大田表现的宿根农艺性状，进一步说明了GR2强宿根性的特征。

甘蔗品种的潜在宿根能力是保证宿根蔗产量的首要因素，评价品种宿根性的强弱除了测定种植多年的实测产量和糖分外，还可以通过早期的可溶性糖、ABA含量、蛋白酶及SS活性等因素进行判断，为宿根能力的筛选提供理论参考。